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さて、導体においては静電誘導が起こると書きましたが、誘電体の場合にもこれと似たような現象が起きます（誘電分極）


【誘電分極】

誘電体には自由に動き回れる電子がありませんが、外部電場の影響を受けると、分子や電子の配置が僅かに変化して、内部に正電荷と負電荷の偏り（電気双極子）が生じますが、これを誘電分極と言います。

誘電分極は、元々電荷の偏りを持っている分子（極性分子）が整列したり、あるいは分子内の電子が偏るために引き起こされます。
前者が配向分極、後者が電子分極と呼ばれ、それぞれ異なる周波数帯や温度域で主導的に働きます。


【比誘電率】

誘電分極は静電誘導（静電平衡）とは違って、完全な平衡状態には至らないので、すべての電場（電気力線）を打ち消すことはできません。
これをどれだけ打ち消せるかを示す指標が、分極率を表す比誘電率です。

コンデンサの間に誘電体を挟むと、この誘電分極が起きるのですが、電気力線を一部打ち消すことで、例えば電池で両極に同じ電圧を掛けている場合、蓄えられる電荷の量がその分だけ増えます。
※比誘電率が2なら、電気力線が1/2に打ち消され、2倍の電荷が蓄えられる。

なお、誘電体の中には、外部電場を取り去っても自発的な分極状態を維持できる「強誘電体」と呼ばれるものが存在します。
チタン酸バリウム（BaTiO3）が有名ですが、下記のように非常に高い比誘電率を示します。


【各コンデンサにおける比誘電率】

・アルミ電解コンデンサ（酸化アルミニウム）
概ね6.0～10.0（周波数や温度で幅があるため。以下同じ）

・フィルムコンデンサ（例：PP）
概ね2.1～2.6

・セラミックコンデンサ（例：チタン酸バリウム）
概ね1,500～15,000

つまり、同じ面積の極板を持つコンデンサでも、誘電体次第で静電容量を大幅に増やすことが出来ると言う話です。


【おまけ・・・アルミナとは？】

ところで、アルミナって研磨剤とかの成分（研磨粒子）に使われていたりするのでご存じの方も多いと思いますが、酸化アルミニウム（Al2O3）のことです。

アルミは空気に触れる事で表面が酸化し安定しますが、自然に出来る被膜は1～3nmと非常に薄いのですが、アルミ電解コンデンサの陽極（アルマイトと同じ電化処理）だと～1μmぐらいです。
※陰極は自然に出来る被膜のみ形成される。因みに、原子の大きさは0.1nmぐらい。

なお、昔のSSRなどの多ピース型アルミホイールの板リムは、表面保護のためアルマイト処理がされていましたが、この場合でも厚さは数μm～数十μm程度です。


【おまけ２・・・コンデンサ鳴きについて】

圧電体と呼ばれる特定の誘電体の結晶では、外部から加えられる振動や衝撃等によって双極子の持つ分極に変化が加わり、空間電荷がこれを補正するまでの短時間だけ外部結晶表面に比較的高い電圧が生じます（圧電効果もしくはピエゾ効果）
※確か初代セルシオＢ仕様に、圧電体素子を使った「ピエゾTEMS」が搭載されていましたね。

圧電効果は可逆反応であり（運動エネルギー⇔電気エネルギー）、圧電体の結晶は電圧、つまり外部から加えられる電場に応じて変形します（逆圧電効果）
チタン酸バリウムは圧電体の代表格ですが、セラミックコンデンサの場合、この変形による振動が基盤と共振することで、異音が聞こえる事があります。
※交流成分による電圧変動に伴い変形を繰り返すため。

私はこれを某車のECU（三菱電機製）で経験しましたが、酷いときはエンジン始動直後にブーンと大きい音が鳴り、その後ジーと鳴き続け、やがてジ、ジ、ジとなって消えます（通常は数分、長くても5分程度で鳴き止む）

ECUを開けてみた訳ではありませんが、エンジンを切ると（ACC）鳴き止むのと、再始動時には鳴きが出ないので（温度に影響される）、セラミックコンデンサによる鳴きで間違いないと思います。
※個体差なのか、それとも基板の設計が悪かったのか、専門家ではないので判りませんが。

ここからは電磁気学の領域に足を踏み入れますが、電磁気学においては不導体≒誘電体なので、今後は誘電体に表記を統一します（引用部分を除く）

その誘電体の話をする前に、まずは導体の静電誘導の話から。


【静電誘導（静電平衡）】

導体が外部から電場の影響を受けると、クーロン力によって、それを打ち消す方向に向かって自由電子が移動します（＝静電誘導）
例えば、導体に正電荷を近づけると、近づけた側の導体表面に自由電子が集まり、最終的に平衡状態になります（＝静電平衡）

なお、同じ電荷同士は反発し合うといったクーロン力の基本は中学、静電平衡は高校で習うので、「空気とボディの間にクーロン力が働いて、空気が剥がされる」というトヨタの理論は、中学生以下の発想。
※なので、理系でアルミテープ貼ってる人はかなり恥かも？


【ファラデーケージ（静電遮蔽）】

静電平衡が起きると、導体の内部では電気力線が完全に打ち消し合っているので、電場は存在しません。
なので、至る所が同電位となります。
また、導体の内部に空洞があった場合、空洞表面も同電位であるため、その空洞内も同電位となります（＝静電遮蔽）

以上が一般的な説明になりますが、静電遮蔽に関してはイマイチ理解しにくいと思うので、具体例を挙げて話をします。


【なぜ車に雷が落ちても、中の人は安全なのか？】

ネット上には、ファラデーケージ以外にも、車のボディは金属なので電流が流れやすいからだとか、的外れな物も含めて色々説明がされていますが、どれも表面的で、本質的な理解には程遠い内容の物ばかりです。

例えば、JAFのユーザーテスト。




このユーザーテストでは、クルマと雷の関係に詳しいという中部大学・電気電子システム工学科の山本教授が、次のように解説しています。

『山本教授によると「過去の実験や落雷実験でも、乗員が直接大きな被害を受けた例はない。車に落雷すると車の金属部分を通り、タイヤから放電するため、車内へ電流は流れにくい。ただし、車内でもピラーなどボディの金属部分へ接触すると安全とは言い切れないため、金属部分には触らないでほしい」とのことだった。』

ですが、肝心な理由については一切書かれていませんし、表現の方も微妙です。
教授が万人向けに平易に解説したのか、JAFの編集者が勝手に内容を要約したのかは解りませんが、このままでは消化不良です（笑）


で、他を検索した結果、非常に解りやすく解説してあるページがあったので、そこから引用します。

『金属などの良導体は，あらゆる箇所で電位差がゼロの等電位状態を保とうとする性質があります。導体に電気（正しくは電荷と言う）が流入しようとすると，同符号の電荷同士は反発して導体内部には存在できないため，導体表面に等分配されながら電流として流れることになります。この性質は，英国のマイケル・ファラデーが発見し，「ファラデーシールド」または「ファラデーケージ」として電磁波遮蔽に応用されています。』

引用元）
自動車・航空機への落雷時どのようにアースが働くか？（日本医事新報社のHPより）
https://www.jmedj.co.jp/blogs/product/product_7696


【簡単に言うと？】

・雷（＝電場）の影響を受けると、導体であるボディは等電位状態を保とうとして静電平衡になる（故にボディ及び室内には電場が存在しない）
・そのため雷電流はボディそのものを流れることは出来ず（室内にも侵入できない）、ボディ表面を等分配されながら流れる。
※電場（電位差）がなければ電流は流れないため。


ところで、JAFには『車内でもピラーなどボディの金属部分へ接触すると安全とは言い切れないため、金属部分には触らないでほしい』と書かれていますが、理論上はピラーの内側も同電位であるため、安全です。
※というか、ピラーの内側を触って感電するならそもそも静電遮蔽になっておらず、室内にも雷（側撃雷）は侵入できるので、どこを触っていようがいまいが危険であり、この教授が何を言いたかったのか不明。


いずれにせよ、考え方としては「電場の影響を受けると導体は静電平衡になるから、導体の内部には電場が存在しなくなる」のではなく、「導体は常に等電位状態を保とうとするから、導体の内部には電場が存在しない」のであり、故に「（外部から電場の影響を受けると）静電平衡が起こる」のだと理解した方が解りやすいと思う。
※なお、車のボディは普段は導線を兼ねているので、電気抵抗に相当する僅かな電場は存在するため、完全に等電位ではない。


【専門的に言うと？】

静電遮蔽は「導体が等ポテンシャルである」ゆえに成立し、アーンショーの定理「電荷のない領域ではポテンシャルは極小値も極大値もとらない」より、空洞内に電荷がないとすれば、空洞表面も空洞もφ =const. すなわち、空洞内の電場はゼロ（E =−∇φ=0）となる。

なお、この静電遮蔽は導体の種類、空洞の形状、導体の電荷、導体外部の電場によらず必ず成立します。
※仮に導体外部に全く電場がなければ遮蔽する対象もないので、その状態を静電遮蔽と表現するか否かは別にして。


【おまけ】

ちなみにこの記事では、タイヤに関して次のように書かれています。

『タイヤを雷電流が通過する際，ゴムは不導体であるため，内部に侵入するよりもタイヤ表面を経由するほうが，はるかに放電抵抗が小さく，タイヤの沿面放電によって大地に放流されます。ちなみに乗用車等のタイヤゴムは，接地面には他の部分よりもやや導電性を持たせてありますので，車内で発生した帯電電荷が緩やかに放出されます。図1にタイヤ接地面とホイール金属間の抵抗測定例と測定結果（67MΩ）とを一例として示しています。』



アルミテープチューンの話をした時、そもそも車はタイヤがアースになっているので帯電しておらず、トヨタの理論は前提からして間違っていると書きましたが、上記の測定結果を見れば一目瞭然です。

参考）
アルミテープチューンの真実
https://minkara.carview.co.jp/summary/13711/


なお、文中『帯電電荷が緩やかに放出』とありますが、実際にはほぼ瞬時に放出されます。
確かに67MΩ（・cm）と聞くとかなりな抵抗に思えますが、仮に静電気の対地容量を100pFとすると、放電時間：τ（s）＝C（F）＊R（Ω）より、100pF＊67ＭΩ＝0.0067秒。

子供の頃、ストップウォッチで早押し遊びをした方も多いと思いますが、0.1秒切ればかなり反射神経が良いですし、普段は意識せずにやっている瞬きが0.1秒くらいなので、ほんの一瞬ですね。


さて、肝心の誘電体の話はまた次回に。

世の中、人にしてもモノにしても、一見すると何の繋がりもないように見えて、実はどこかで関係しているって事が意外とあります。

・・・という訳で（？）、まずはコンデンサの概要から。


【コンデンサとバッテリーの違い】

「バッテリーは大きなコンデンサだ」と言うピュアオーディオマニアがいますが、両者は何が違うのでしょうか？

簡単に言うと、コンデンサはクーロン力によって電荷を蓄えたり放出したりする一種の物理電池で、電極間に電流（伝導電流）が流れている訳ではありません。
※コンデンサを電池と呼んでよいかは別にして。

一方、バッテリーは酸化還元反応で（実際に電子の受払を伴いながら）電気を充電したり放電したりする化学電池です。
※電気エネルギーを化学エネルギーに変換して貯蔵する。

このように、両者はそもそも仕組みや構造、用途が全く異なります。


【コンデンサの構造】

コンデンサは、向かい合った2つの導体（金属板）の間に不導体を挟んだ構造になっています。

コンデンサが印加されると、負極側の金属板には電子（負電荷）が溜まり、正極側の金属板からは電子が追い出されて正電荷が溜まります。
※直流に繋いだ場合。

電荷を溜める（≒充電している）間は、あたかもコンデンサに電流が流れているように見えますが、先に述べたように2つの導体間で電子の受払はありません（これを電束電流という）
※電束電流：電流が磁場を生み、磁場が電流を生む事により生じる（電磁波の1種）


【直流、交流とコンデンサ】

（１）バッテリーのような直流電源（リップルなし）に繋いだ場合

印可すると瞬時に電荷が流れ込み、静電容量に達した後は電荷を溜めこんだ状態で保持します。
この状態でバッテリーを外すと、溜まった電荷は一瞬のうちに他の負荷に流れてしまうので、コンデンサ内の電荷は無くなります。


（２）オルタネーターのような直流電源（リップルあり）に繋いだ場合

脈流に併せて電荷を溜めたり放出したりを繰り返しますので、平滑化のために使われる事が多い。
因みに、バッテリーの場合は脈流のまま充電されるだけなので、ピュアオーディオマニアが言う「車のバッテリーはコンデンサの役目も担っているので、高性能な機種ほど電源が安定し音が良くなる」は大嘘です。

もっとも、電力会社で音が違うと本気で思い込んでいる人や、終いには「汚れた電気が～」と言ってマイ電柱を建てたりする人には、何を言っても無駄でしょうが、一応オルタネーターの波形を載せておきます。


Vpp＝～0.2V、Freq.＝1kHz～


（３）家庭用コンセントのような交流電源に繋いだ場合

電流の流れの変化（反転）に併せて、電荷を溜めたり放出したりを繰り返しますが、その動きは電源電圧の動きより90度（＝1/4周期）早くなります（これを進み電流という）


【静電容量を大きくするには？】

静電容量を増やすには、クーロンの法則により金属板の面積を広げるか、絶縁体を薄くして金属板同士の距離を縮めるかですが、ただ面積を増やすだけでは大きくなりすぎるし、あまり薄くし過ぎると絶縁性能が保てませんので、金属板を筒形に巻くなどして面積を稼いでいます。
※クーロンの法則：電荷間に働く力（＝クーロン力）は、2つの電荷の積に比例し、電荷間の距離の2乗に反比例する。


以上がコンデンサの概要です。
今回は電気を勉強した事がある人なら誰でも知ってるレベルの話ですが、実はコンデンサにはもっと重要な秘密があるのですが、それは次回以降に。

前回、バッテリー交換時のスパークなど恐れるに足らずと書きましたが、そうは言っても実際にパチッと来るのはあまり気分の良い物じゃないでしょうから、今回はどうしたらそのスパークを防げるか？について書きます。
※道具なしで誰でも出来る簡単な方法なので、知っておいて損はないかと。


という訳で火花放電（接点アーク）の発生メカニズムから。

解りやすい例として、機械式のスイッチをOFFにしたケースを考えてみます。

（１）電流密度の増加

いきなり回路がオープンになるのではなく、接点が離れる過程で接触面積が逓減していきます。
そうして、電流密度は最終的にMAXになります。
※電流密度（J）＝電流（I）／断面積（A）。単位はA/㎡。


（２）電界（電場）の強さ及び電圧の上昇

電流密度が上がることで、電界及び電圧も上がります。
※電界（E）＝電圧（V）／距離（L）。単位はV/ｍ。

ここで電界（電場）とは、電荷の周りに存在する電気的な力が働いている空間（＝電荷を動かす力が存在する場）の事ですが、イメージとしては、子供の頃に砂鉄遊びで学んだ（？）磁界の電気バージョンだと思ってください。
※磁界⇔電界、磁力線⇔電気力線。

そして、電流密度と電界の関係式は次の通りになります。

・J＝σE（σは電気伝導率）
これは本来の意味でのオームの法則を表現したものであり、高校で習うV＝IRの微分形です。

↓興味のある方は、こちらもどうぞ
オームの法則とその微分形の導出（物理メモドットコムより）
https://butsurimemo.com/ohms-law/


（３）火花放電が起こる

非接触空間で空気の絶縁破壊が起きて、スパークが飛びます。
※空気の絶縁破壊は、一般に約30kV/cm（波高値。実効値：21.1kV/cm）で起きると言われている。


以上を文章で表現すれば、「接触面積の逓減に伴い電流密度が高まり、電場が強くなり、電圧も高くなる。よって、（非接触の）僅かな空間で絶縁破壊が起きて、スパークが飛ぶ」という事になります。


一方、電源をＯＮにするケースでは、コンデンサなどに起因する所謂突入電流があり、それが初期接触段階で一気に流れるため、ＯＦＦ時に比べて火花放電が起こりやすくなります。

車のバッテリー脱着の場合、ターミナルを外す時には暗電流しか流れていませんので、10～30mA程度ですが、装着時には突入電流があるので数倍～数十倍になります。

なので、外す時よりも装着する時の方が火花放電が発生しやすい訳です。


では、表題のように火花放電を起こさせないためには、どうすれば良いでしょうか？

上記の発生メカニズムが理解できれば、自ずと答えは出ると思いますが、一番悪いのは、「スパークさんスパークさん、どうか起きないで下さい」などと念じながら（？）、屁っ放り腰で恐る恐る端子を繋ぐ方法で、この場合に一番スパークが起こりやすく、かつ持続時間も長くなります。

逆に、「スパークなど怖くない」と開き直って、ターミナルの根元（被膜部分）を持って端子に一気に被せれば、スパークは発生しません。

自分は、5～6回に1回ぐらいで軽くパチッとする程度ですね。

前回はトルクレンチの話をしましたが、次にブームが来そうな（？）ツールを紹介します。

その名は、（バッテリー）サージプロテクター。


（画像は、JTCのHPより）


他だと、サージサプレッサー、サージショックアブソーバーだとか呼ばれる類の商品です。

どういう目的のための物かというと、要はバッテリー交換時等、ターミナルの脱着をする際にパチッと来る火花放電（俗にいう接点アーク）から、車載電装品を保護するという商品です。

中はバリスタ入れてるだけな気がしますが（インジケーターらしき物が見えるので、他はLEDと抵抗、ダイオードぐらい？）、値段は結構お高くて、画像のJTCの物で実売価格が1万円前後、大陸性の安物でも4千円位はするので、明らかなボッタクリ価格・・・っていうか、クリップの方が原価は高そう。

ちなみに、バリスタとは印可する電圧によって抵抗値が変化する素子のため、電圧が高くなると抵抗値が低くなり電流が流れますが、それによる電圧降下で回路を一定の電圧内に抑える、即ちサージノイズを吸収する効果があります。
※バリスタの等価回路は、2つのツェナーダイオードを逆向き接続したものにコンデンサを並列接続させた構成になっているので、極性はありません。

（閑話休題）

車いじりの上級者あるいは電気に本当に詳しい方なら、こんな商品は一蹴するでしょうが、人生初のバッテリー交換で火花を飛ばしてしまい、「車が壊れたんじゃないか」と心配して夜も眠れない（？）初心者だとか、中途半端に電気知識があるせいで「うんうん、サージ対策してないと危ないよね～」とか言っちゃう人は、喜んで飛びつくかもしれません。

まあ何を買おうが個人の勝手なので、欲しい人は止めませんが、この物価高のご時世、無駄な散財は極力防ぎたいし、せっかく買ったのに「またこんな余計な物買って！いったい何考えてるのよ？」と奥さんに怒られるのも面白くないハズ（笑）

以下はそうした節約派あるいは恐妻家の方のために、「なぜサージプロテクターが不要であるのか」についてお話します。


（１）そもそも車載の電子機器側でノイズ対策（EMS）はやっている。

オカルトチューンや車内アクセサリー系の商品だと、自作パーツ並の素人設計なので、何の対策もされていない事が多いが、純正品に限らずマトモなメーカーの製品なら、EMSを考慮して設計されています。

（参考）
EMSや、素人設計の怖さについて詳しく知りたい方は、こちらをどうぞ↓
【車両火災】自作ホットイナズマの危険性
https://minkara.carview.co.jp/userid/2036415/blog/47705411/


（２）火花が飛ぶので驚く人もいますが、バッテリーの接点アークは電圧も低くエネルギーも小さい。

雷（直撃）サージや過大なロードダンプなら、EMSが考慮されていても壊れる事もありますが、この程度のノイズで壊れるようでは製品として成り立ちません。


実際、日本中に（トラックなども含め）約8,000万台の自動車がありますが、平均して2年に1度のペースでバッテリー交換等をすると考えれば、1日に11万台余りの車で端子の脱着をしている計算になります。

このうち、少なくとも1/3で火花放電が起こったとすれば、1日4万台ほどの車でパチパチやってる訳ですが、もしその程度で壊れるなら、身近に「バッテリー交換で車が壊れた」人がいても不思議ではないのに、そんな話は全く耳にしたことがありませんよね・・・
まあ、そういう事です。

つまり、「知らないとコワイ！」のは、サージ電圧ではなく、
このような無意味な商品を掴まされてしまう事の方です。